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Hidrógeno. Un elemento químico singular Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM. Hidrógeno. Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones. Hidrógeno: introducción. PARACELSUS (SIGLO XVI) ROBERT BOYLE (1671) - PowerPoint PPT Presentation
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HidrógenoHidrógenoUn elemento químico singularUn elemento químico singular
Fernando Carrillo. Química Inorgánica. UCLM
Hidrógeno
Introducción Propiedades generales Estado natural Comportamiento químico Obtención Usos y aplicaciones
Hidrógeno: introducción
PARACELSUS (SIGLO XVI)
ROBERT BOYLE (1671)
HENRY CAVENDISH (1766)
ANTOINE LAVOISIER (1783)
Hidrógeno: propiedades generales
Es un no metal Forma moléculas diatómicas H2
El elemento es menos reactivo que los halógenos X2
Un átomo H tiene un único electrón
Puede perderlo, para formar H+
Puede ganar otro, para formar H-
1
H1.00794
1
H1.00794
1s11s1
H2H2
Hidrógeno: propiedades generales
EL ELEMENTO: ISÓTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
PESOPESO
ATÓMICOATÓMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIA ABUNDANCIA RELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38
P.Eb. EN EP.Eb. EN E22 (ºC) (ºC) -252.61-252.61 -249.73-249.73 -247.96-247.96
E. Dis. (kJ/mol)E. Dis. (kJ/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
11 1111
Hidrógeno: propiedades generales
DEUTERIO:• O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:
SEPARACIÓN D2O/H2O• SE UTILIZA PARA:
• ESTUDIOS MECANÍSTICOS• CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES• RMN
DEUTERIO:• O-H SE ELECTROLIZA ANTES QUE O-D:
SEPARACIÓN D2O/H2O• SE UTILIZA PARA:
• ESTUDIOS MECANÍSTICOS• CONTROL DE REACCIONES NUCLEARES• RMN
HH22O (s)O (s)
HH22O (l)O (l)
HH22O (l)O (l)
DD22O (s)O (s)
Hidrógeno: propiedades generales
TRITIO:
N + n C + T T1/2=12,26 años
He + e ()
Li + n He + T (Reactor nuclear)
Sus principales usos se encuentran en la Sus principales usos se encuentran en la medicina nuclearmedicina nuclear
147
10
146
31
32
0-1
63
10
42
31
Hidrógeno: propiedades generales
EL ELEMENTO: ISÓTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
PESOPESO
ATÓMICOATÓMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIA ABUNDANCIA RELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38
P.Eb. EN EP.Eb. EN E22 (ºC) (ºC) -252.61-252.61 -249.73-249.73 -247.96-247.96
E. Dis. (kJ/mol)E. Dis. (kJ/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
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Hidrógeno: propiedades generales
SPINES NUCLEARES
ORTO Y PARA HIDRÓGENO
ORTO PARA
Hidrógeno: propiedades generales
Equilibrio orto-para del H2, D2 y T2
QORTO
PARA
Hidrógeno: propiedades generales
CATALIZADOR: C activo, Fe2O3
Hidrógeno: propiedades generales
EL ELEMENTO: ISÓTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
PESOPESO
ATÓMICOATÓMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIA ABUNDANCIA RELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38
P.Eb. EN EP.Eb. EN E22 (ºC) (ºC) -252.61-252.61 -249.73-249.73 -247.96-247.96
E. Dis. (kJ/mol)E. Dis. (kJ/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
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Hidrógeno: propiedades generales
EL ELEMENTO: ISÓTOPOS
PROTIO HPROTIO H11HH
DEUTERIO DDEUTERIO D22HH
TRITIO TTRITIO T33HH
PESOPESO
ATÓMICOATÓMICO
1.00781.0078 2.01412.0141 3.01603.0160
ABUNDANCIA ABUNDANCIA RELATIVA (%)RELATIVA (%)
99.9899.98 0.0150.015 1010-17-17
SPIN NUCLEARSPIN NUCLEAR 1/21/2 11 1/21/2
P.F. EN EP.F. EN E22 (ºC) (ºC) -259.04-259.04 -254.27-254.27 -252.38-252.38
P.Eb. EN EP.Eb. EN E22 (ºC) (ºC) -252.61-252.61 -249.73-249.73 -247.96-247.96
E. Dis. (kJ/mol)E. Dis. (kJ/mol) 438.88438.88 443.35443.35 446.90446.90
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Hidrógeno: propiedades generales
H2 2 H
• CALENTAMIENTO A ELEVADA TEMPERATURA
700ºC 3,7.10-4 % DISOCIACIÓN5500ºC 98.8 % DISOCIACIÓN
• DESCARGAS ELÉCTRICAS
• RADIACIONES
Hidrógeno: propiedades generales
Densidad (g/ml) en fase gas 0.089
Punto de Fusión (K) 14.01
Punto de Ebullición (K) 20.28
Radio covalente en H2 (Å) 0.37
Radio iónico en LiH (Å) 1.53
Potencial de Ionización (eV) 13.54
Afinidad Electrónica (eV) 0.715
Electronegatividad
(E. Pauling)
2.1
Potencial normal (V) H+ + 1e- ½ H2 0.00
92%
7% 1%Hidrógeno
He
Resto
UniversoUniverso
Espacio interestelar H
Estrellas H2 y H
Hidrógeno: estado natural
Hidrógeno: fusión nuclear En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. Es importante recordar que esta fusión desprende energía en el centro de una estrella. Esta es la fusión que genera energía en nuestro Sol. Conocemos esta energía cuando sentimos calor en un día de verano, como hoy.
5. Se forma una partículaalfa y se liberan dos protonesy mucha energía
4. Se producen núcleos de helio que se fusionan
3. El deuterio fusionacon otro protón
1. Se fusionandos protones
2. Un protón setransmutaen un neutrón,formando deuterio
Se emiten un electrón y un neutrino
FUSIÓN DE DEUTERIO
FUSIÓN DEUTERIO-TRITIO
Hidrógeno: fusión nuclear
En la Tierra, parece que es más interesante realizar otro tipo de fusión para poder obtener una fuente de energía casi inagotable. Se trata de la fusión del Deuterio o, incluso mejor, de la fusión de Deuterio con Tritio.
Hidrógeno: fusión nuclear
ITER TOKAMAKITER TOKAMAK
REACTORREACTOREXPERIMENTALEXPERIMENTALDE FUSIÓNDE FUSIÓNPOR CONFINAMIENTOPOR CONFINAMIENTOMAGNÉTICOMAGNÉTICO
Cadarache (FR) 2015Cadarache (FR) 2015
Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre
Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre
Constituye el 70% del cuerpo humano
Compuestos orgánicos
Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.)
Estratosfera en forma atómica
LA TIERRALA TIERRA
Hidrógeno: estado natural
Hidrógeno: comportamiento químicoLA REACCIÓN CON EL OXÍGENO:
H2 + ½ O2 H2O(g) H= -242 kJ.mol-1
H2 2HH + O2OH + OOH + H2 H2O + HO2 + HOH + H
OH + H H2OO + H2H2O
REACCIONES DE TERMINACIÓNREACCIONES DE TERMINACIÓN
Hidrógeno: comportamiento químico
LA REACCIÓN CON EL OXÍGENO:
El H2 se quema, al aire, en concentraciones entre4 y 75% (frente a 5.4-15% de G.N.)
La temperatura de combustión espontánea es de585ºC (frente a 540º de G.N.)
Es menos explosivo (conc. 13-64%)que el G.N. (conc. 6.3-14%)
Perder el electrón
Ganar un electrón
Compartir el electrón
HH++
HH--
E-HE-H
Hidrógeno: comportamiento químico
H+A-
HnAmHnAm AH-
AH-
Hidrógeno: hidruros binarios
Hidrógeno: hidruros binarios
CLASIFICACIÓN DE PANETH
H-H-
H-H- H+H+
Xe
Hidrógeno: hidruros binarios
Hidrógeno: hidruros iónicos
Electronegatividad
H-M < H M = G1 Y PESADOS G2
Radio (Å) Relación Q/r
H 0.32
H- 1.53 0.65
F- 1.19 0.84
Cl- 1.67 0.60
Redes iónicas tridimensionales
Puntos de fusión > 600ºC
Método de obtención
M + n/2 H2MHn
Hidrógeno: hidruros iónicos
Conducen la electricidad en fundido
La electrolisis produce H2 en el ánodo
Hidrógeno: hidruros covalentes
Moleculares
CH4
H2O HF
NH3
BeH2 B2H6Poliméricos
Hidrógeno: hidruros covalentes
AlH
H
Al
H
H H
H
H
H
Al
H
H
Al
BH
HB
H
H H
HBe
H
HBe Be
H
H
Hidrógeno: hidruros binarios
H2
H-H-
H-H-
H+H++
Hidrógeno: hidruros binarios
HIDRUROS COMO ALMACÉN DE HIDRÓGENO: “HIDRUROS QUÍMICOS”
MBH4 + 2 H2O 4 H4 H22 + MBO2 + CALOR
NaBH4, KBH4, LiBH4
HIDRÓLISIS EN PRESENCIA DE UN CATALIZADOR
Hidrógeno: hidruros binarios
HIDRURO
CATALIZADOR
AGUA DE REFRIGERACIÓN
RECICLADO
SEPARADOR DE H2
PILACOMB
NaBH4/H2O/OH-
H2O
H2 + NaBO2
HH22
CCAALLOORR NaBO2
Otras variantes: LiH, NaH, MgH2 + ROH H2 + M(OR)x
NH3.BH3 NH2BH2 + H2 NHBH + H2
HIDRÓLISIS CON VAPOR DE AGUA
PRINCIPAL PROBLEMA: APROVISIONAMIENTO Y RECICLADO
Hidrógeno: hidruros binarios
Hidrógeno: hidruros metálicos
Hidrógeno: hidruros metálicos
METÁLICOS:
• INTERSTICIALES
• ESTEQUIOMÉTRICOSCrH VH2
• NO ESTEQUIOMÉTRICOSTiH1.9 HfH2.1
Hidrógeno: hidruros metálicos
Duros
Brillo metálico
Conducen la electricidad o son semiconductores
Propiedades magnéticas
Quebradizos
Hidrógeno: hidruros metálicos
Almacén de H2
Absorben gran cantidad de H2, queliberan se puede liberar a conveniencia
Hidrógeno: hidruros metálicos
Pre
sión
par
cial
de
H2 li
bre
% Capacidad hidrógeno
Carga a baja presión relativa y baja temperatura
Descarga a altatemperatura
METAL FASE FASE FASE (HIDRURO (HIDRURO (ADSORCIÓNINTERSTICIAL) METÁLICO) DE HIDRÓGENO)
BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO
Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:
descarga
2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + M
carga
Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MHn)
muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:
donde A = La, Ce, Pr, Nd
B = Ni, Co, Mn, Al
BATERÍAS DE NIQUEL-HIDRURO
Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son:
descarga
2 Ni(O)(OH) + MHn n Ni(OH)2 + M
carga
Como electrodo negativo se utilizan aleaciones de níquel (MHn)
muy complejas, distinguiéndose principalmente dos tipos: AB5 y AB2:
donde A = La, Ce, Pr, Nd
B = Ni, Co, Mn, Al
Hidrógeno: hidruros metálicos
Hidrógeno: obtención
OBTENCIÓN A ESCALA DE LABORATORIO
•M + H+ Mn+ + H2
Zn + HCl ZnCl2 + H2
•M + OH- M(OH)n + H2
Al + NaOH Na[Al(OH)4] + H2
•M + H2O M(OH)n + H2
Na + H2O NaOH + H2
•H- + H2O OH- + H2
LiH + H2O LiOH + H2
Hidrógeno: obtención
Na en agua
Fe en HCl
ELECTROLISIS DEL AGUA
CAT(-) 2 HCAT(-) 2 H++ + 2e + 2e-- HH22
ANOD(+) 2 OHANOD(+) 2 OH-- - 2e - 2e-- 1/2O 1/2O22 + H + H22OO
Electrolito: NaOH 25% 2-2.5V electrodos de Ni ó Fe0.2% producción mundial de H2
Mejor: FC FC*
H2O + FC* H2 + O2 + FC
energía solar
Hidrógeno: obtención
OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL
•REDUCCIÓN DE AGUA CON COQUE
H2O(g) + C H2 + CO (+ N2 gas de síntesis)2C + O2 2CO
H2O + CO CO2 + H2
CO2 + K2CO3(aq) 2KHCO3(aq)
Problemas: presencia de S escasez de C
Fe2O3
1200ºC
Hidrógeno: obtención
OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL
•REDUCCIÓN DE AGUA CON HIDROCARBUROS
CH4 (GAS NATURAL) + H2O CO + H2
•OXIDACIÓN PARCIAL DE FUEL-OIL
CnHm + n/2O2 n CO + m/2 H2
Ni
P T
P T
Hidrógeno: obtención
OBTENCIÓN A ESCALA INDUSTRIAL
•REFINO: CRAQUEO DE HIDROCARBUROS
R-CH2-CH2-CH2-CH2-R 2 R-CH=CH2 + H2
•PROCESO CLORO-ÁLCALI: SUBPRODUCTOIMPORTANTE
Hidrógeno: obtención
Hidrógeno
Otro gas
Hidrógeno: obtención
Hidrógeno: usos y aplicaciones
Hindenburg, ardiendo en 1937
BMW Mini, con hidrógeno
Lanzadera espacial:500000 l de O2 líquidoy 1.5 millones de l de H2 líquido
Atolón de Bikini, 1954
Hidrógeno: usos y aplicaciones
PROD. PARTIDA
MARGARINAS
NAVES ESPACIALES. PILAS DE COMBUSTIBLE.
FERTILIZANTES PLÁSTICOS
PRODUCCIÓN DE METALES
Hidrógeno: usos y aplicaciones
JULES VERNE, EN “LA ISLA MISTERIOSA” (1874) DICE:“creo que algún día se utilizará el agua como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la componen, ya sean juntos o separados, proporcionarán una fuente inagotable de luz y calor, de una intensidad de la cual el carbón no es capaz. El agua será el carbón del futuro”.
Hidrógeno: usos y aplicaciones
½ O2 + 2e O2-
H2 2H+ + 2e
H2 + ½ O2 H2O
CAT(+)
ANOD(-)PILA DE COMBUSTIBLEPILA DE COMBUSTIBLEDE HIDRÓGENODE HIDRÓGENO
electrolito
catalizador
H2O
O2
H2H+
electroneselectrones
2H++O2- =H2O
O2+2e=O2-
H2=2H++2e
CALORCALOR
Tipos de pilas de combustible:
PAFC: PAFC: ÁCIDO FOSFÓRICOÁCIDO FOSFÓRICO
PEM: PEM: MEMBRANA INTERCAMBIADORAMEMBRANA INTERCAMBIADORA
MCFC: CARBONATO FUNDIDO
SOFC: ÓXIDO SÓLIDO
ALCALINAS: HIDRÓXIDO DE POTASIO
Hidrógeno: usos y aplicaciones
Usos actuales: Naves espaciales, submarinos, autobuses, industria militar.
Usos inminentes: Ordenadores portátiles, móviles, PDA, cámaras digitales, generadores portátiles, motos, vehículos híbridos, pequeñas fuentes de energía fijas.
Usos futuros: Coches eléctricos, fuentes de energía fijas de gran potencia.
Hidrógeno: usos y aplicaciones
1) Las pilas de hidrógeno son eficientes, ya que transforman el hidrógeno y el oxígeno directamente enelectricidad y agua sin ninguna combustión durante el proceso. La eficiencia del proceso se sitúa entreel 50 y el 60%, que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia del motor de explosión. Teóricamente,se puede llegar al 100%.2) Las pilas de hidrógeno son limpias, porque no producen ninguna emisión, sólo la producción de aguapura. Al contrario que el motor de explosión, la pila de hidrógeno no emite ni dióxido de azufre (quecontribuye a la lluvia ácida), ni tampoco óxidos de nitrógeno (que contribuyen a la creación del smog)ni ningún tipo de partícula contaminante.3) Las pilas de hidrógeno son muy silenciosas, ya que no tienen ningún mecanismo móvil, aunque tienenun sistema de bomba y ventilador, así pues la producción de electricidad es bastante silenciosa. Muchasinstalaciones, como por ejemplo los hoteles, pueden sustituir la ingeniería diesel por pilas de hidrógenocomo suplemento al poder energético o bien como reservas de energía en caso de apagón.4) Las pilas de combustible son modulares, se pueden colocar juntas para conseguir la cantidad de energía necesaria. La pila de hidrógeno puede producir energía en un amplio margen desde pocos vatios a unos cuantos megavatios.5) Las pilas de hidrógeno no son peligrosas para el medio ambiente, no producen sustancias tóxicas, ya que el único desecho del proceso es el agua (o bien agua y dióxido de carbono en el casode las pilas de metanol).6) Las pilas de hidrógeno nos dan la oportunidad de poder obtener una gran cantidad de energía apartir de fuentes sostenibles: el agua y el aire.
Hidrógeno: usos y aplicaciones
1) La pila de hidrógeno deberá tener una aceptación en el mercado para tener éxito. Esta aceptacióndepende claramente del precio de las pilas, la duración y precisión y la accesibilidad al precio del combustible. Comparado con el precio de las actuales alternativas, como por ejemplo laingeniería del diesel y las baterías, las pilas de hidrógeno son realmente caras. Para ser competitivas,deben ser producidas con un bajo coste.
2) Desarrollo de infraestructuras para el mercado. Casi no existen infraestructuras para este tipo de combustibles. Es por ello que debemos confiar en las actividades de las compañías petroleras y de gas para que ellos las introduzcan. Sólo si los conductores son capaces de obtener el combustible a un precio razonable, serán desarrolladas nuevas aplicaciones para el motor.
3) Políticas adecuadas. Son necesarias políticas orientadas al desarrollo de esta tecnología. Las actuales leyes y regulaciones ambientales extremadamente rigurosas han reforzado la investigación en este campo.
4) El catalizador. Actualmente el platino es el componente clave de la pila de hidrógeno. El platino es un recurso natural escaso; la mayoría de sus fuentes están en Suráfrica, Rusia y Canadá. La escasez de platino es clave en el desarrollo de la pila de hidrógeno. Es necesaria una búsqueda de nuevos catalizadores.
Hidrógeno: usos y aplicaciones
Hidrógeno: usos y aplicaciones
¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!